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核磁共振小史(1) 精选

已有 2998 次阅读 2017-12-6 03:23 |个人分类:历史与时事|系统分类:科普集锦|关键词:核磁共振 科学史

医学院改革教学,新增了一门小班讨论课,每周两小时,讨论一个与生物医学有关的诺奖工作,我被抓差去讲2003年的医学奖。头一回给生物背景的学生讲MRI我有些犯难,一番纠结后决定略过技术细节,重点讲历史和应用。


备课时在网上搜了搜,发现了一组很不错的课件,历史部分尤其好,帅哥辈出的感觉。于是做了几个截屏放在朋友圈里分享,引来朋友们七嘴八舌的评论,令人莞尔。美女们说:“颜值控的我终于明白为什么这么喜欢这个领域了!”帅哥们则说:“表情包亮了!”我定神再看,真是超级棒的一组表情包啊!比如想撸起袖子干的时候,就用Stern那个。论文被拒的时候,可以考虑用Lauterbur的话来一番自我安慰。



细想了一下,觉得历史还可以再往前推一推,于是按着这个课件的思路重新做了两张。


首先登场的是物理学家。


核磁共振的物理教材,往往会从Zeeman劈裂开始讲起。这一现象是以荷兰物理学家Pieter Zeeman冠名的。准确地说,Zeeman发现了电子在磁场的作用下能级发生劈裂这一现象。而后续的工作则表明,不光是电子,自旋非零的原子核,在磁场里能级也会劈裂。Zeeman劈裂构成了核磁共振的物理基础,Zeeman也因为这一发现成为1902年诺贝尔物理学奖得主,这也是史上第二个诺贝尔奖。第一个给了发现X射线的伦琴,基于X射线的CT成像技术则获得了1979年的医学奖。如今,CT已是所有放射科的必备。


接下来是德国物理学家Otto Stern,为了证明原子角动量的量子化,他和Walter Gerlach一起做了那个著名的Stern-Gerlach实验,发明了用穿过磁场的分子束来研究原子磁矩的方法,并由此发现了质子的核磁矩。Stern的这项工作既有研究手段方面的创新,也有重大的科学发现。如今用于临床的核磁共振成像,95%以上的检查都是在探测水分子中的质子发出的信号。Stern的诺奖可谓名至实归。


再下来便是美国的Isido Issac Rabi了。拉比年轻时美国的物理学尚很落后,年轻人纷纷跑去欧洲求学进修。拉比博士毕业后一度在Otto Stern的实验室做博士后研究,他把Stern-Gerlach实验所用的非均匀磁场改进为均匀磁场,不仅提高了测量精度,也为以后的共振实验奠下了基础。后来拉比经海森堡推荐任教于哥伦比亚大学,在那里创建了自己的分子束研究室,并最终发明了核磁共振的方法。拉比晚年罹患癌症时曾做过一个MRI的检查,他看着成像仪反光的壁面里的自己心想:“这家伙居然是我的研究的产物!”拉比一生可圈可点的事迹太多了,他在我眼里是一位既富有理想主义激情,又接上了十足地气的实验物理学家伙,能于纷纭的尘世、动荡的时局中保持学者的良知和责任感,不改初衷。感兴趣的朋友可以去读我以前写他的文章(见:睿智且坚定——读拉比美国的海龟们)。


如果说拉比的工作为核物理研究提供了崭新的实验手段的话,Felix Bloch Edward Mills Purcell 的工作则为核磁共振开拓出了广阔的应用前景。他们的工作使得核磁共振的应用不再局限于分子束,而是可以广泛地使用于液体与固体中。核磁共振如今在凝聚态物理、分析化学、结构生物学和生物医学这些领域中均大显身手,BlochPurcell工作的重要性由此可见一斑。作为海森堡的开门弟子,Bloch在核磁共振理论方面也颇多建树。做核磁共振的人若是不知道Bloch方程,就和搞力学的人不知道牛顿定律一样会让人贻笑大方。和拉比一样,BlochPurcell也是杰出的领导者和社会活动家。BlochCERN的第一任主任,为CERN的创建立下了汗马功劳。Purcell则担任了三届总统(艾森豪威尔、肯尼迪、约翰逊)的科学顾问,他在约翰和伊凡狂PK的年代写下的《电磁学》一书,也是经典中的经典。


(未完待续)



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